基于单片机的小型开水锅炉控制系统设计Word文件下载.docx

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3方案论证

3.1温度检测设计方案

方案

（1）：

温度检测部分采用热电偶，经过温度变送后，对信号进行采样保持，A／D转换后，然后与单片机通信进行控制。

若温度检测部分采用热电偶，它需要冷端补偿电路与其配套，并且热电偶输出电压只有几毫负，必须经过放大处理才能A/D转换，外围电路复杂，占用单片机的接口多[2]。

方案

（2）：

主要是以单片机作为控制器的核心，利用温度转换芯片DS18B20进行温度采集。

数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持"

一线总线"

接口的温度传感器，测量温度范围为-55°

C~+125°

C，在-10~+85°

C范围内,精度为±

0.5°

C，现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，使系统设计更灵活、方便。

同时DS18B20可使程序设定9~12位的分辨率，精度为±

C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存，并且性能价格也非常出色。

图1方案

（1）结构框图

图2方案

（2）结构框图

由于热电偶属于非线性器件，因此每个温度值都必须通过分度表，查表才能获得，这给软件编程和数据处理增加了难度。

这种系统具有测量温度范围可以从零下一XX到上千摄氏度，而且有很多热电偶精度非常高这是这种测量系统的优点。

但构成系统复杂，抗干扰能力不强。

而数字温度传感器DS18B20，它的最高分辨率为12位，可识别0.0625摄氏度的温度[3]。

它具有直接输出数字信号和数据处理，并且它和单片机接口只需要一位I/O口，因此由它构成的系统简单使用，综合比较温度检测方案

（1）和方案

（2），我们只在常温下使用，并且经济合理，因此选择了方案

（2）。

3.2水位检测设计方案

采用电感式浮球传感器对其进行水位检测。

传感器液筒上的汽水管与锅炉筒相连接，使筒锅内的水位与液筒内水位互相连通。

当锅筒内水位变化时，液筒内水位相应发生变化。

液筒内浮球根据水位高低而发生变化，水位升高时，浮球向上浮。

水位下降时，浮球向下浮。

连接浮球上的矽棒在电感线圈内发生位移，使电感线圈两端电感量发生相应的变化，变化的电感量写入仪表，仪表接收这一变化的液位信号，转换成与液平面相应显示信号，系统根据水位的变化信号，自动调节给水流量，使水位稳定在正常区域，以确保锅炉的安全运行。

采用金属电极式进行水位检测。

在锅炉内的不同的高度安装3根金属棒,以感知水位变化情况。

其中A棒处于下限水位，C棒处于上限水位，B棒在上、下水位之间。

通过接头b、c与单片机通信，再配上水位显示电路，完成水位的检测和状态显示，单片机驱动控制电路，实现自动上水。

采用电感式浮球传感器对锅炉水位进行检测，检测精密，但该元件的成本太高。

采用金属电极式进行水位检测，电路简单易行，成本相对小，而且该技术应用广泛。

考虑综合因素，水位检测设计方案采用方案

（2）[4]。

4系统结构框图

系统整体电路方框图如图3所示。

图3系统整体结构框图

本系统主要由温度传感器、液位传感器、掉电存储、复位及时钟信号产生电路、报警电路、显示电路、开关控制电路以及AT89S51组成。

通过对锅炉水位和水温实时检测与采集，将锅炉的液位、温度等参数输入单片机，由单片机AT89S51在内部与预先设定参数通过软件计算生成各个控制信号，从而对补水泵和锅炉内部的电加热器进行控制，再配以外部的温度显示和水位状态显示以及报警装置，进而对锅炉进行优化控制，达到了用户的要求和节能目的。

操作过程如下：

用户首先设定水温数值，然后系统检测锅炉中水位。

如果水位正常则系统开始启动，否则产生声光报警并进行自动保护。

系统正常运行以后，利用传感器DS18B20检测出锅炉中的水温，并且实时显示出来。

当水温超过设定上限，系统同样会发出报警信号并采取保护措施，控制加热器工作情况。

当水温未达到设定值，立即回馈给系统，由系统自动调整加热器工作状态，使水温到达设定值，满足用户需求。

5单片机外围器件的设计

5.1元件选择及介绍

5.1.1单片机AT89S51

本设计采用AT89S51作为中央处理单元，它是是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0~24MHz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

AT89S51的主要特性：

（1）8031CPU与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

（3）全静态工作：

0Hz-24KHz

（4）三级程序存储器保密锁定

（5）128*8位内部RAM

（6）32条可编程I/O线

（7）两个16位定时器/计数器

（8）6个中断源

（9）可编程串行通道

（10）低功耗的闲置和掉电模式

（11）片内振荡器和时钟电路

AT89S51的引脚结构（如图4）及各管脚说明：

VCC：

供电电压

GND：

接地

P0-P3：

分别是8位准双向I/O端口，但P0在作为一般的I/O端口用时，应外接上拉电阻，才能高电平输出

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间

ALE/PROG：

地址锁存允许信号端。

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现

　　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入

XTAL2：

来自反向振荡器的输出

5.1.2温度传感器DS18B20

传统的温度传感器如热电偶和铂电阻等分立元件，外围电路比较复杂，仅提供与温度相关的电压或电流。

而较新型的单片集成温度传感器如AD590,也只能产生与温度呈线性关系的电流信号。

上述两种传感器都必须使用电阻、运算放大器和A/D转换器等构成温度测量电路。

当外界环境条件发生变化时元件参数也会改变,致使测量误差增加,准确度降低。

本系统采用的是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20，它可以把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理，采用单线接口，仅需一根口线与MCU相连，无需外围元件。

其突出优点是:

将被测温度直接转换成数字信号输出。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都比DS1820有所改进。

在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面，有无可比拟的优越性。

DS18B20的主要特点：

（１）采用单总线方式，仅需一根信号线与CPU连接即可传送串行数据，且不需要外部元件

（２）每个芯片都有惟一编码，多个DS18B20芯片可以并联在一根总线上，故可实现多点测温

（３）测温范围为-55～125℃，分辨率为12位

（４）测温结果的数字量位数为9～12位，并可编程选择

（５）可用数据线供电，也可用外部电源

DS18B20的结构：

DS18B20采用３脚PR-35封装（或８脚SOIC封装），其中３脚PR-35封装的DS18B20，其外形象一个三极管，管脚排列如图5所示。

图中，GND为地；

DQ为数据输入／输出端（即单线总线），为漏极开路输出，常态下呈高电平；

VDD为外部电路端，电源电压为＋５V，不用时应接地。

DS18B20的内部结构如图6所示，主要包括寄生电源、温

度传感器、64位激光ROM、高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等七部分。

其中ROM由64位二进制数字组成，它由生产厂家光刻而成，共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位校验码。

每个DS18B20的64位序列号均不相同，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样，就可以在一根总线上挂接多个DS18B20。

图6DS18B20内部结构

（１）寄生电源

寄生电源由二极管VD1、VD2和寄生电容C组成。

电源检测电路用于判定供电方式。

寄生电源供电时，VDD端接地，器件从单线总线上获取电源。

在DS线呈低电平时，改由C上的电压继续向器件供电。

该寄生电源有两个优点：

第一，检测远程温度时无需本地电源；

第二，缺少正常电源时也能读ROM。

若采用外部电源VDD，则通过VD2向器件供电。

（２）温度测量原理

DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。

其测量电路框图如图7所示。

DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。

当计数门打开时，DS18B20对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。

芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。

测量结果存入温度寄存器中。

一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位被码形式读出，表1给出了温度和数字量的关系。

（３）64位激光ROM

64位ROM的结构图如图8，开始8位是产品类型的编号（DS1820为10H），接着是每个器件的唯一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS1820可以采用一线进行通信的原因。

主机操作ROM的命令有五种，如表2所示。

表1温度和输出数字的对应关系

温度/℃

数字输出（二进制数）

数字输出（十六进制）

+125

0000011110010000B

07D0H

+25

0000000110010001B

0191H

+0.5

0000000000001000B

0008H

0000000000000000B

0000H

-0.5

1111111111111000B

FFF8H

-25

1111111001110000B

FE70H

-55

1111110010010000B

FC90H

图864位ROM的结构图

表2存储器操作命令

指 

令

说 

明

读ROM（33H）

读DS1820的序列号

匹配ROM（55H）

继读完64位序列号的一个命令，用于多个DS1820时定位

跳过ROM（CCH）

此命令执行后的存储器操作将针对在线的所有DS1820

搜ROM（F0H）

识别总线上各器件的编码，为操作各器件作好准备

报警搜索（ECH）

仅温度越限的器件对此命令作出响应

（４）高速暂存器

它由便笺式RAM和非易失性电擦写EERAM组成，后者用于存储TH、TL值。

数据选写入RAM，经校验后再传给EERAM。

便笺式EAM点9个字节，包括温度信息（第1、2字节）、TH和TL值（3、4字节）、计数寄存器（7、8字节）、CRC（第9字节）等，第5、6字节不用。

暂存器的命令共6条，见表3所列。

表3DS18B20的存储控制命令

指令

说明

温度转换（44H）

启动在线DS1820做温度A/D转换

读数据（BEH）

从高速暂存器读9bits温度值和CRC值

写数据（4EH）

将数据写入高速暂存器的第2和第3字节中

复制（48H）

将高速暂存器中第2和第3字节复制到EERAM

读EERAM（B8H）

将EERAM内容写入高速暂存器中第2和第3字

读电源供电方式（B4H）

了解DS1820的供电方式

在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：

首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后现用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。

考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

Ts=（Tz-0.25℃）+（CD-Cs）/CD

（1）

（５）CRC的产生

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS1820中的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

CRC的函数表达式为：

CRC=X8+X5+X3+1。

此外，DS1820尚需依上式为暂存器中的数据来产生一个8位CRC送给主机，以确保暂存器数据传送无误。

DS18B20的工作时序

根据DS18B20的通信协议，用主机控制DS18B20以完成温度转换必须经过三个步骤：

每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。

每一步操作必须严格按照时序规定进行。

DS18B20的工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。

（1）初始化时序

DS18B20的初始化时序图如图9所示。

（２）写时序

DS18B20的写时序图如图10所示。

（３）读时序

DS18B20的写时序图如图11所示。

图9DS18B20的初始化时序图

图10DS18B20的写时序图

图11DS18B20的读时序图

DS18B20的工作流程

无论是进行单点还是多点温度检测，在系统安装及工作前，应将主机逐个与DS18B20挂接,读取其序列号，其工作过程为由主机与DS18B20联接的位1/O口发“0”电平>

480p。

复位DS18B20，待DS18B20发回响应脉冲后，主机由位1/O线再发读ROM命令代码33H，然后依此发一个负脉冲（15p），并接着读取DS18B20序号值的一位。

同样方法读取序号值的56位。

对于带有多个DS18B20传感器，用以实现多点温度测量的系统，分三步完成全过程工作：

（１）系统通过重复操作，搜索出在线各个DS18B20序列号

（２）启动所有在线DS18B20作温度/数字转换

（３）逐个读出在线DS18B20转换后的温度数据

5.1.3掉电存储器AT24C02

当程序因受到干扰而弹飞到一个临时构成的死循环中时,系统将安全瘫痪。

本系统采用AT24C02芯片构成WATCHDOG。

掉电存储单元的作用是在电源断开的时候，存储当前设定的温度值。

AT24C02是ATMEL公司生产的

2KB电可擦除存储芯片，是8位电可擦除PROM，由256×

8位存储器构成，并具有两线串行接口。

遵循I2C总线协议与单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10uA（5.5V），芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便。

系统在上电过程、瞬间电压降压或存在瞬间干扰脉时,WATCHDOG电路都能正确地给出复位脉冲信号,使系统恢复正常的运行状态，保证了锅炉的正常运转。

AT24C02的引脚结构如图12所示，其管脚功能如表4所示。

名称

功能

GND

接地端

SDA

串行地址/数据I/O端

SCL

串行时钟端

WP

写保护输入端

VCC

+2.5V到5.5V电源端

NC

无内部链

表4AT24C02的管脚功能5.1.4固态继电器SSR

固态继电器英文名称为SolidStateRelay，简称SSR，它是一种性能优越的新型无触点电子开关器件。

其输入端要求很小的控制电流，输出回路采用双向可控硅或大功率晶体管接通或断开负载电流。

输入与输出之间采用光电耦合，通断无可动接触部件，因此工作可靠，具有开关速度快，无噪声、寿命长、体积小等特点。

该电路采用的SSR的型号是MOC3063,其内部电路原理图如图13。

该电路由输入恒流控制电路、光电耦合隔离电路和输出功率开关电路三部分走成。

该类型的固态继电器的输出功率开关由两只双向可控硅并联担任，负载电流可高达90A。

输入控制电压可在3V~32V间的范围变化

5.2硬件电路具体设计与实现

5.2.1水温采集部分

水温采集部分主要由数字温度传感器DS18B20、AT89S51和上拉电阻组成，其工作电路如图14所示。

DS18B20采用外部5V电源供电，数据端DQ与单片机AT89S51的P3.4连接，DS18B20与单片机AT89S51的通信